(57)【要約】【課題】犠牲層を形成する工程、孔をあける工程、及び手間がかかる該犠牲層をエッチングする工程等を省くことができる上に、高い再現性及び信頼性、かつ簡略化された工程にて製造することができる超音波振動子ユニット及び超音波プローブを提供する。【解決手段】超音波振動子１０を複数備える超音波振動子ユニットにおいて、該超音波振動子１０が絶縁性の基板２の一面に形成された凹部２２を備え、基板側電極３を凹部２２の底に埋設し、振動膜１は凹部２２を覆うように設ける。【選択図】図６
2011105602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板の一面側に設けられた基板側電極と、前記基板側電極と一面が対向するように配置された導電性を有する振動膜とを備える超音波振動子を、前記基板上に複数設けた超音波振動子ユニットにおいて、
前記超音波振動子は、
前記基板の一面に形成された凹部を備え、
前記基板側電極は前記凹部の底に設けられており、
前記振動膜は前記凹部を覆うように設けられてあることを特徴とする超音波振動子ユニット。
【請求項２】
前記振動膜は、超音波振動子の凹部同士の間のランド部に、静電引力及び化学結合によって固定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項３】
前記基板側電極は前記凹部の底に埋設されており、
前記ランド部には超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝が形成され、
前記溝及び前記凹部の底には、超音波振動子の基板側電極同士を接続する接続電極が埋設されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動ユニット。
【請求項４】
前記基板側電極は前記凹部の底に凸設されており、
前記ランド部には超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝が形成され、
前記溝及び前記凹部の底には、超音波振動子の基板側電極同士を接続する接続電極が凸設されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動ユニット。
【請求項５】
前記振動膜に、前記溝と整合する位置に貫通孔が形成され、
前記振動膜の他面側に、蒸着された蒸着物からなる保護膜が形成されており、
前記溝の内側には、前記貫通孔を介して蒸着された蒸着物からなり、隣り合う超音波振動子同士を隔離する隔離膜が形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波振動子ユニット。
【請求項６】
前記振動膜は、陽極接合法によって前記ランド部に固定されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項７】
前記振動膜はシリコン単結晶からなることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載の超音波振動子ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一つに記載の超音波振動子ユニットを備え、
前記超音波振動子ユニットを用いて超音波の送受をすることを特徴とする超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子ユニット及び、該超音波振動子を用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は従来のＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）型超音波振動子の構成の一例を示す断面図である。従来のＣＭＵＴ型超音波振動子は、超音波を送受する振動膜１００と、基板１０４の一面に設けられ、基板１０４と対向するように振動膜１００を支持する振動膜支持部１０１とを備えている。さらに、振動膜１００に膜側電極１０２が形成され、基板１０４には基板側電極１０３が形成されており、膜側電極１０２及び基板側電極１０３はお互いに対向配置されている。【０００３】
このような構成のＣＭＵＴ型超音波振動子は、受信した超音波（音圧）によって振動膜１００及び膜側電極１０２が振動し、この際に起きる膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得し、又は膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜１００を振動させ、超音波を送信するものであり、広帯域、高感度等の優れた周波数応答特性を有している。【０００４】
例えば、非特許文献１には、上述したような従来のＣＭＵＴ型超音波振動子及びその製造方法が開示されている。詳しくは、非特許文献１のＣＭＵＴ型超音波振動子においては、シリコン基板の上に、後述するウェットエッチングの際、基板を保護するための窒化物層を形成し、該窒化物層の上に多結晶シリコンからなるいわゆる犠牲層を蒸着する。その後、上記犠牲層の上に窒化物からなる振動膜及び振動膜支持部を共に蒸着し、該振動膜に上記犠牲層を除去するための孔をあける。この孔を介して、エッチング液を注入して、ウェットエッチングにて上記犠牲層を除去する。次いで、上記孔を埋めて、上記振動膜の上に膜側電極を蒸着した後、その上に保護層を形成することにより製造される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers:Theory and Technology」、JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING、USA、April、VOL.１６、NO.２、p.７６−８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１の超音波振動子においては、膜側電極及び基板側電極の間に空間を設けるために、上述したように、いわゆる犠牲層を形成させる工程と、エッチングのために上記振動膜に孔をあける工程と、ウェットエッチング又はガスエッチングによって上記犠牲層を除去する工程と、上記孔を埋める工程等の複数の工程を必要とするという問題がある。【０００７】
更に、上記ウェットエッチングは、時間がかかる処理である上に、レジストパターンをマスクにして被エッチング物をエッチングするときの、該レジストの膜厚のエッチング速度に対する被エッチング物のエッチング速度の比率であるエッチング選択比が高くない場合は、保護膜が別途必要とされる等から、製造工程が複雑になる。また、このような問題は、ガスエッチングにおいても、同じである。
以上のようなことから、ウェットエッチング又はガスエッチングの利用は、大量生産の際に要求される、再現性及び信頼性を低下させ、大量生産には不適切である。【０００８】
ひいては、非特許文献１の超音波振動子は振動膜を振動可能に支持する上記振動膜支持部を有するので、上記振動膜支持部を設ける工程が必要である上に、上記振動膜支持部を基板に固定させるための工夫（例えば、固定部分での応力発生の抑制）等が更に必要である。【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてされたものであり、その目的とするところは、絶縁性の基板の一面側に設けられた基板側電極と、前記基板側電極と一面が対向するように配置された振動膜と、前記振動膜の他面に設けられた膜側電極とを備える超音波振動子を、前記基板上に複数設けた超音波振動子ユニットであって、高い再現性及び信頼性を有し、かつ簡略化された工程にて製造できる超音波振動子ユニット、並びに該超音波振動子ユニットを備えた超音波プローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、絶縁性の基板の一面側に設けられた基板側電極と、上記基板側電極と一面が対向するように配置された導電性を有する振動膜とを備える超音波振動子を、上記基板上に複数設けた超音波振動子ユニットにおいて、上記超音波振動子は、上記基板の一面に形成された凹部を備え、上記基板側電極は上記凹部の底に設けられており、上記振動膜は上記凹部を覆うように設けられてあることを特徴とする。【００１１】
本発明にあっては、上記超音波振動子の凹部の底に埋設された基板側電極と、導電性を有する振動膜との間隔の変動に起因する、振動膜と基板側電極との間の静電容量の変化に基づき、超音波の送信及び受信を行う。なお、上記基板側電極を上記凹部の底に埋設し、上記基板の厚み方向におけるユニットの薄型化を図る。【００１２】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、上記振動膜は、超音波振動子の凹部同士の間のランド部に、静電引力及び化学結合によって固定されていることを特徴とする。【００１３】
本発明にあっては、例えば、陽極接合法によって、上記振動膜を上記ランド部に固定する。従って、上記振動膜は静電引力及び化学結合によって、上記ランド部に固定されるので、接合力が高い上に、上記振動膜及びランド部の接合部は言うまでもなく、振動膜及び基板の全体において応力発生が抑制される。【００１４】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、上記基板側電極は上記凹部の底に埋設されており、上記ランド部には超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝が形成されており、上記溝及び上記凹部の底には、超音波振動子の基板側電極同士を接続する接続電極が埋設されていることを特徴とする。【００１５】
本発明にあっては、上記基板側電極を上記凹部の底に埋設し、上記超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝を形成し、上記溝及び凹部の底に上記接続電極を更に埋設することにより、簡単な構造での基板側電極同士の接続、並びに上記基板の厚み方向におけるユニットの薄型化を図る。【００１６】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、上記基板側電極は上記凹部の底に凸設されており、上記ランド部には超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝が形成され、上記溝及び上記凹部の底には、超音波振動子の基板側電極同士を接続する接続電極が凸設されていることを特徴とする。【００１７】
本発明にあっては、上記基板側電極を上記凹部の底に凸設し、上記超音波振動子の凹部同士をつなぐ溝を形成し、上記溝及び凹部の底に上記接続電極を更に凸設することにより、簡単な構造での基板側電極同士の接続、並びに上記基板の厚み方向におけるユニットの薄型化を図る。【００１８】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、上記振動膜に、上記溝と整合する位置に貫通孔が形成され、上記振動膜の他面側に、蒸着された蒸着物からなる保護膜が形成されており、上記溝の内側には、上記貫通孔を介して蒸着された蒸着物からなり、隣り合う超音波振動子同士を隔離する隔離膜が形成されていることを特徴とする。【００１９】
本発明にあっては、上記ランド部に溝を形成しているので、上記溝を介して隣り合う超音波振動子同士が連通する状態となる。しかしながら、上記貫通孔を介して上記溝の内側に蒸着物が蒸着されて上記隔離膜が形成されるので、隣り合う超音波振動子同士は隔離され、隣り合う超音波振動子による音響的影響を未然に防止できる。【００２０】
本発明に係る超音波振動子ユニットは、上記振動膜は、陽極接合法によって上記ランド部に固定されていることを特徴とする。【００２１】
本発明にあっては、上記振動膜を、例えば４００℃以下で陽極接合法を用いて、ランド部に固定させる。従って、上記振動膜は静電引力及び化学結合によって上記ランド部に固定され、８００〜１０００℃の高温での接合の場合及び圧力のみを用いる接合の場合に比べて、低温でも高い接合力を得られる上に、接合部での応力の発生が抑制されると共に、振動膜及び基板全体での応力発生が低減する。
また、上記振動膜はシリコン単結晶からなることが好ましい。【００２２】
本発明に係る超音波プローブは、本発明の超音波振動子ユニットを備え、上記超音波振動子ユニットを用いて超音波の送受をすることを特徴とする。【００２３】
本発明の超音波プローブにあっては、本発明の超音波振動子ユニットに設けられた複数の超音波振動子の上記基板側電極と振動膜との間に電圧を印加することにより上記振動膜を振動させて超音波を外部に送信し、外部から反射されてくる超音波による上記基板（又は振動膜）の振動に伴う、上記基板側電極と振動膜との間のキャパシタンス変化に係る電気信号を取得し、いわゆる超音波像に係るデータを得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、上記犠牲層を形成する工程、孔をあける工程、及び手間がかかる上記犠牲層をエッチングする工程等を省くことができる上に、ガスエッチングに起因する振動膜の損傷のおそれがなく、高い再現性及び信頼性、かつ簡略化された工程にて製造することができる。更には上記振動膜を振動可能に支持する上記振動膜支持部を別に設ける必要がないため、上記振動膜支持部を基板に固定する際に発生する固定部分での応力集中等を考慮する必要がなくなり、製造における自由度が高まる。【００２５】
また、本発明によれば、上記振動膜が静電引力及び化学結合によって上記ランド部に固定されるので、上記ランド部及び振動膜の間の固定部分での応力発生が抑制でき、ひいては振動膜及び基板全体での応力発生が低減できる。従って、いわゆる変換効率又は感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来のＣＭＵＴ型超音波振動子の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットの模式的部分断面図（ａ）、及び超音波振動子ユニットを備える超音波プローブ（ｂ）の一例を示す例示図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の振動膜を除外した場合における平面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子において、図４の実線の丸円の位置に対応する部分を拡大した拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットにおいて、保護膜及び振動膜を一部除外した状態の部分的斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子において、保護膜を蒸着する前の一部の縦断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子において、保護膜を蒸着した後の一部の縦断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づいて本発明に係る超音波振動子ユニット及び超音波プローブについて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットの模式的部分断面図（ａ）、及び上記超音波振動子ユニットを備える超音波プローブの一例を示す例示図（ｂ）である。本発明に係る超音波振動子ユニットは基板３の上に複数の超音波振動子１０がパターン状に設けられており（図２（ａ）参照）、本発明に係る超音波プローブ（図３（ｂ）参照）は上記超音波振動子ユニットを備え、例えば、上記超音波振動子ユニットによって受信された超音波に係る電気信号を外部装置に送信する。
【００２８】
図３は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。図４は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子１０の振動膜１を除外した場合における平面図である。
【００２９】
本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットの超音波振動子１０は、基板２と、基板２に対向するように基板２の上側に配置され、超音波を送信又は受信する振動膜１とを備えている。また、振動膜１の上面には振動膜１を保護するが保護膜５が蒸着されており、振動膜１の下面と対向する基板２の上面には凹部２２が形成されており、この凹部２２の底には基板側電極３が埋設されている。振動膜１は凹部２２の上側に配置され、振動膜１及び凹部２２によって空間部６が形成されている。
このような構成を有する超音波振動子１０が、基板２の上記上面に複数設けられ、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットとして作用している。
【００３０】
基板２は、例えば、パイレックス（Pyrex）ガラス（登録商標）、石英、テンバックス（登録商標）、Foturanガラス（登録商標）等のガラス製であり、５００μｍ以上の厚みを有する。また、上述したように、基板２の上記上面には凹部２２が形成され、基板側電極３が凹部２２の底に埋設されている。更に、基板２の上記上面には、後述する溝２３が形成されており、溝２３の底には後述する接続電極３１が埋設されている。
【００３１】
なお、基板２の厚みは、上述の記載に限るものでない。例えば、３００μｍ以上、５００μｍ以下であっても良い。
【００３２】
凹部２２は平面視六角形になるように基板２の上面に凹設されている。各超音波振動子１０の凹部２２同士の間には、凹部２２の凹設による残余部分からなるランド部２１が形成されるようになる。ランド部２１の先端面、すなわち基板２の上面には振動膜１が固定されている。凹部２２の底の中心には、基板側電極３が埋設されている。
【００３３】
基板側電極３は、凹部２２に倣う六角形の板状をなしており、面積は７００μｍ2 以下である。また、基板側電極３の厚みは０．１〜１．０μｍであり、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の材料からなる。また、基板側電極３の上面には、例えば、酸化物からなり、振動膜１から基板側電極３を絶縁させる絶縁膜４が蒸着されており、この状態において、凹部２２の底と面一になるように構成されている。
【００３４】
なお、各超音波振動子１０の基板側電極３は、隣り合う超音波振動子１０の基板側電極３と複数の接続電極３１，３１，…，３１によってお互いに接続されている。接続電極３１は短冊形状の板材であって、基板側電極３と同じ材料からなり、凹部２２の底に埋設されている。また、接続電極３１の上面には、基板側電極３と同様に、例えば、酸化物からなり、振動膜１から接続電極３１を絶縁させる絶縁膜４１が蒸着されており、接続電極３１，３１，…，３１は基板側電極３の縁から、基板側電極３の面方向に沿って延設されている。なお、接続電極３１は基板側電極３と同じ材料に限るものでなく、蒸着による形成が可能であって、導電性を有する材料であれば良い。
【００３５】
凹部２２の内側は、例えば、一辺の寸法が２２μｍで、対向辺間の距離は３８μｍである六角形の筒状をなしている。また、凹部２２は六角形の筒状に限るものでなく、円形の筒状であっても良い。
【００３６】
また、ランド部２１には、ランド部２１の一部を縦方向に切り欠いた溝２３が複数個所に形成されている。詳しくは六角形の凹部２２の各辺に対応する位置に、溝２３が夫々形成されており、溝２３によって、隣り合う超音波振動子１０の凹部２２同士はつながっている。また、ランド部２１同士は溝２３を挟んで夫々の端部２４がお互いに対向するように構成されている。更に、各溝２３の底には接続電極３１が埋設されている。すなわち、接続電極３１は凹部２２及び溝２３の底に亘って埋設され、基板側電極３同士を接続している。
【００３７】
ランド部２１の縦方向における寸法（換言すれば、振動膜１の上記下面と基板２の上記上面との間隔）は０．０５〜１０μｍであれば良い。また、この寸法は０．１〜３μｍであることが好ましい。また、ランド部２１は横方向における肉厚が８〜１６μｍである。なお、ランド部２１は先端面（すなわち、基板２の上面）に、いわゆる陽極接合法によって、振動膜１の上記下面が接合されている。
【００３８】
陽極接合法とは、一般的には約４００℃以下にてガラスと、シリコン又は金属とを密着接合する方法である。ガラスと、シリコン又は金属とを重ね合わせ、加熱及び電圧を加える方法であり、これにより、ガラス中の陽イオンを強制的にシリコン又は金属中に拡散させ、ガラス、シリコン、金属等の間に静電引力が生じると共に、化学結合が行われ、比較的に低温でも良好な接合が出来る方法である。
【００３９】
本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットの超音波振動子１０は、このような陽極接合法を用いるので、高温での接合の工程に発生しがちな変形による応力集中がランド部２１と振動膜１との接合部にて生じることを抑制でき、上記応力による変換効率又は感度の低下を防止できる上、ひいては製造上の構造再現性に優れている。
【００４０】
本実施の形態においては、ランド部２１の肉厚が８〜１６μｍである場合を例として挙げているが、これに限るものでなく３〜１６μｍであれば良い。
【００４１】
振動膜１は凹部２２を覆うように設けられている。従って、凹部２２の内周面及び振動膜１の上記下面によって空間部６が形成されている。
【００４２】
振動膜１の厚みは１．５μｍであることが好ましいが、０．５〜３μｍであれば良い。振動膜１は伝導性を有するシリコン単結晶からなる。従って、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニット及び超音波プローブにおいては、電圧印加の際に振動膜に電荷がたまり、数〜数十ＭＨｚのＡＣ電圧印加による振動膜の作動において、チャージ現象が生じることを防止することが出来る。
【００４３】
また、振動膜１にはランド部２１の溝２３，２３，…，２３と整合する位置に、厚み方向に貫通する矩形の貫通孔１１が複数個所に形成されている（図４では、点線にて表示する）。図５は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子１０において、図４の実線の丸円の位置に対応する部分を拡大した拡大図である。図５においては、説明の便宜上、保護膜５を除外した状態を示している。また、図６は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットにおいて、保護膜５及び振動膜１を一部除外した状態の部分的斜視図である。
【００４４】
上述したように、振動膜１は下面がランド部２１の先端面と当接し、凹部２２を覆うように設けられている。ランド部２１とランド部２１との間の溝２３を介して接続電極３１が延設され、基板側電極３同士を接続している。また、貫通孔１１は、振動膜１をその厚み方向に貫通しているので、貫通孔１１を介して、溝２３の一部、ランド部２１の端部２４及び接続電極３１が露出されている。
【００４５】
図７は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子１０において、保護膜５を蒸着する前の一部の縦断面図である。詳しくは、図７（ａ）は図５のＡ―Ｂ線による縦断面図であり、図７（ｂ）は図５のＣ―Ｄ線による縦断面図であり、図７（ｃ）は図５のＥ―Ｆ線による縦断面図である。
【００４６】
図８は本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子１０において、保護膜５を蒸着した後の一部の縦断面図である。詳しくは、図８（ａ）は図５のＡ―Ｂ線による縦断面図であり、図８（ｂ）は図５のＧ―Ｈ線による縦断面図である。
【００４７】
貫通孔１１の長手方向の寸法は、溝２３を挟んで対向するランド部２１の端部２４，２４間の間隔より長く、貫通孔１１の短手方向の寸法はランド部２１の肉厚より短い。従って、上述したように、貫通孔１１及び溝２３を介して、溝２３の近傍において、ランド部２１の端部２４，２４、並びに接続電極３１の一部が露出されるようになる。
【００４８】
このような状態にて、例えば絶縁性の蒸着物が蒸着されることによって、保護膜５及び隔離膜５１が形成される。すなわち、上記蒸着物は、振動膜１の上面の上に蒸着され、保護膜５を形成すると共に、貫通孔１１を介して溝２３の内側及び近傍に蒸着され、隣り合う超音波振動子１０（空間部６又は凹部２２）同士を隔離する隔離膜５１を形成する。
【００４９】
ランド部２１に溝２３を形成することにより、隣り合う超音波振動子１０（空間部６又は凹部２２）同士が連通する状態となる。後述するように、上記蒸着物の蒸着の工程は真空の中で行われ、通常は空間部６内に空気は略存在しないが、その際の真空度によっては極微量空気が存在するおそれがある。このような極微量の空気が、超音波振動子１０が動作する際、溝２３を介して隣り合う超音波振動子１０（空間部６又は凹部２２）の間を移動した場合、各超音波振動子１０での振動が他の超音波振動子１０の振動に音響的及び機械的影響を及ぼして、電気的ノイズ発生の原因になり得る。
【００５０】
しかしながら、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニット及び超音波プローブにおいては、上記蒸着の工程にて貫通孔１１を介して溝２３の近傍に形成される隔離膜５１により、上述のような問題を未然に防止できる。
【００５１】
詳しくは、図８に示すように、蒸着物の蒸着により、溝２３の近傍には隔離膜５１が形成されている。隔離膜５１は、横断面が貫通孔１１に倣う矩形である凹みの形状を有している。なお、隔離膜５１は、一方のランド部２１の端部２４から他方のランド部２１の端部２４に亘って気密に形成されている。従って、隣り合う超音波振動子１０（空間部６又は凹部２２）の間は完全に隔離され、超音波振動子１０が動作する際、極微量の空気であっても溝２３を介して隣り合う超音波振動子１０（空間部６又は凹部２２）の間を移動することが防止され、隣り合う超音波振動子１０への機械的振動及び音波の伝達を防止できる。
【００５２】
一方、ＣＭＴ（Capacitive Micromachined Transducer）又はＣＭＵＴの作用をエネルギーの観点から解釈すると、電気的エネルギー（駆動電流）を機械的エネルギー（音圧又は振動膜の振動）に変換させる作用をなし、これは可逆的にも行われる。このような変換における効率を表す関数として電気機械結合係数が用いられる。斯かる変換効率又は電気機械結合係数は、固定キャパシタンスと、変換キャパシタンスとの比率によって表現でき、固定キャパシタンスに比べて変換キャパシタンスが大きいほど変換効率が大きいと言える。
【００５３】
これを本発明の実施の形態１の超音波振動子ユニットの超音波振動子に適用させると、固定キャパシタンスは、振動膜及び基板側電極にて発生する基本キャパシタンスと、電極等の交差点及び構造に基づいて発生し、振動膜の振動とは関わりの無い寄生キャパシタンスとの和によって表すことが出来る。また、変換キャパシタンスはもっぱら振動膜の振動によって生じるキャパシタンスを意味する。従って、寄生キャパシタンスが大きいほど、変換効率又は電気機械結合係数は減少する。
【００５４】
これに対し、本発明の実施の形態１の超音波振動子ユニット及び超音波プローブにおいては、隣り合う超音波振動子１０の基板側電極３同士の連結部分（接続電極３１）に、貫通孔１１を介して隔離膜５１を蒸着するので、基板側電極３同士の連結部分にて発生する寄生キャパシタンスを最大限に抑え、感度を最大限に高めることが出来る。すなわち、溝２３の付近にて振動膜１と接続電極３１との間に発生しうる寄生キャパシタンスによる影響を抑制することが出来る。
【００５５】
以上の説明においては、導電性を有する材料からなる振動膜１を備え、言わば、振動膜１が膜側電極としての役割を兼ねるように構成した場合を例として説明したが、これに限るものでなく、振動膜１の上に膜側電極を更に設けた構成であっても良い。
【００５６】
斯かる場合においても、溝２３の付近における、振動膜１と接続電極３１との間での寄生キャパシタンスの発生が隔離膜５１によって抑制される効果を奏することは言うまでもない。
【００５７】
本発明の実施の形態１に係る超音波プローブにおいては、上記超音波振動子ユニットに設けられた複数の超音波振動子１０の基板側電極３と振動膜１との間に電圧を印加することにより超音波を外部に送信し、また、外部から反射してくる超音波による基板２（又は振動膜１）の振動に伴う基板側電極３と振動膜１との間の静電容量の変化に係る電気信号を取得でき、上記電気信号に基づき、いわゆる超音波像を得ることが出来る。
【００５８】
以下において、本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニット（超音波振動子）製造方法について説明する。
例えば、パイレックスガラスの基板２の上面にパターニングを行い、凹部２２を形成する。また、この基板２のパターニングの際、ランド部２１及び、溝２３も共に形成される。斯かる際。凹部２２の底の中央部には基板側電極３を埋設するための窪みが更に形成されており、凹部２２の底及び溝２３の底には接続電極３１を埋設するための窪みも共に形成されている。
【００５９】
次いで、基板側電極３及び接続電極３１になるべき蒸着物（例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等）の蒸着を施す。その上、更に、基板側電極３及び接続電極３１を振動膜１から絶縁する絶縁膜４及び絶縁膜４１が上記蒸着によって夫々形成される。
【００６０】
この後、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハの一面が基板２の上記上面（又は凹部２２の底）と対向するように、基板２の上記上面、すなわちランド部２１の先端面に、該ＳＯＩウェハを固定させる。上記固定は上記陽極接合法によって行われる。
【００６１】
この後、上記ＳＯＩウェハの他面側、すなわち、ｏｘｉｄｅ層及びＳｉ層に対して、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチングを施し、振動膜１になるべく部分だけを残して除去することにより、振動膜１を形成する。これにより、振動膜１は静電引力及び化学結合によってランド部２１に固定される。
【００６２】
このように、シリコン単結晶からなる振動膜１が、他の接合方法に比べ低い温度にて上記陽極接合法により、ガラス製のランド部２１（基板２）の先端面に固定されることにより、高温接合の場合に生じる変形による応力の発生を防止することが出来る上に、振動膜１及びランド部２１の熱膨張係数が近似するので、いわゆる異種薄膜接合の場合に生じる応力の発生を更に抑えることが出来る。
【００６３】
次いで、エッチングマスクを用いてエッチングを行い、振動膜１に貫通孔１１を形成する。その上に絶縁性の蒸着物を真空中で蒸着して保護膜５を形成する。斯かる際、上述したように、上記蒸着物が貫通孔１１を介して溝２３の内側及び近傍に蒸着されるので、隔離膜５１も共に形成されることになる。
【００６４】
なお、これに限るものでなく、ＳＯＩウェハに代えて、Ｓｉ／Ｓｉ３Ｎ４（low stress）構成を有するＳｉウェハを用いても良い。
【００６５】
以上のことから、本発明の実施の形態１の超音波振動子ユニット及び超音波プローブは、従来の製造工程に比べ、犠牲層の形成工程、孔をあける工程、上記犠牲層をエッチングする工程、上記孔を埋める工程等を必要とせず、工程の数が少なくなる上、所要時間も短縮できるので、製造コストを削減きるという効果を奏する。
【００６６】
なお、振動膜１を振動可能に支持するいわゆる振動膜支持部を別に設ける必要がないため、更に工程の数が少なくなる上に、上記振動膜支持部を基板に固定する際に発生する固定部分での応力集中等を考慮する必要がなく、製造上の自由度が拡大される。
【００６７】
また、以下において、本発明の実施の形態１に係る超音波ユニット（超音波振動子１０）の作用について説明する。説明の便宜上、上述したように超音波振動子１０に電圧を印加して被対象物に向けて超音波を送信し、上記被対象物から反射されてくる超音波を受信する場合を例として説明する。
【００６８】
本発明の実施の形態１に係る超音波振動子ユニットの超音波振動子１０が、上記被対象物から反射された超音波を受信した場合、上記超音波（音圧）によって振動膜１が振動する。振動膜１が振動する際、振動膜１と基板２の基板側電極３との間隔が変動する。従って、振動膜１と基板側電極３との間の静電容量が変化するようになる。斯かる振動膜１と基板側電極３との間の静電容量変化に基づき、容量変化を電圧変化信号に変換させて電気信号を取得することができ、取得した電気信号に基づき、上記被対象物の超音波像を得ることができる。
【００６９】
また、超音波の送信においては、振動膜１と基板側電極３との間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜１が振動され、超音波が送信される。他の作用については超音波を受信した場合と同様であり、詳しい説明は省略する。
【００７０】
（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。本発明の実施の形態２に係る超音波振動子ユニットの超音波振動子１０は、基板２と、基板２に対向するように基板２の上側に配置され、超音波を送信又は受信する振動膜１とを備えている。また、振動膜１の上面には振動膜１を保護するが保護膜５が蒸着されており、振動膜１の下面と対向する基板２の上面には凹部２２が形成されており、この凹部２２の底には基板側電極３が凸設されている。
このような構成を有する超音波振動子１０が、基板２の上記上面には複数パターン状に設けられ、本発明の実施の形態２に係る超音波振動子ユニットとして作用している。
【００７１】
基板２の上記上面には平面視六角形の筒状の凹部２２が形成されており、凹部２２の底の中心部には基板側電極３が蒸着によって凸設されている。隣り合う凹部２２同士の間には、凹部２２の凹設による残余部分からなるランド部２１が形成されている。ランド部２１には、このランド部２１の一部を縦方向に切り欠いた溝２３が複数個所に形成され、溝２３の底には隣り合う基板側電極３同士を接続する接続電極３１が蒸着によって更に凸設されている。すなわち、接続電極３１は凹部２２及び溝２３の底に亘って凸設されている。
【００７２】
基板側電極３の上面には、例えば、酸化物からなり、振動膜１から基板側電極３を絶縁させる絶縁膜４が蒸着されている。また、接続電極３１の上面には、基板側電極３と同様に、振動膜１から接続電極３１を絶縁させる絶縁膜４１が蒸着されている。各接続電極３１は平面視六角形の基板側電極３の各辺の縁から、基板側電極３の面方向に沿って延設されている。
【００７３】
また、ランド部２１の先端面には、上記陽極接合法によって、振動膜１の下面が接合されている。
他の構成については、実施の形態１と同様であり、詳しい説明を省略する。
【００７４】
実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７５】
図１０は本発明の実施の形態３に係る超音波振動子ユニットに設けられた超音波振動子の構成を説明するための模式的要部断面図である。本発明の実施の形態３に係る超音波振動子ユニットの超音波振動子１０は、基板２と、基板２に対向するように基板２の上側に配置され、超音波を送信又は受信する振動膜１とを備えており、実施の形態２と同様に構成されている。
【００７６】
一方、実施の形態３においては、例えば、酸化物からなり、振動膜１から基板側電極３を絶縁させる絶縁膜４が、基板側電極３を覆うように蒸着されている。詳しくは、基板側電極３の上面及び側面、並びに凹部２２の底の一部が絶縁膜４によって覆われている。他の構成については、実施の形態１と同様であり、詳しい説明を省略する。
【００７７】
実施の形態１と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【符号の説明】
【００７８】
１  振動膜
２  基板
３  基板側電極
４  絶縁膜
５  保護膜
６  空間部
１０  超音波振動子
１１  貫通孔
２１  ランド部
２２  凹部
２３  溝
３１  接続電極
４１  絶縁膜
５１  隔離膜
【図１】
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【図２】
2011105602.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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